[发明专利]一种红外溢油监测装置及其监测方法

权利要求书

1.一种红外溢油监测装置，其特征在于：包括近红外光学系统（1）、光栅分光系统（2）、近红外线阵探测器（3）、长波红外光学系统（4）、滤光片系统（5）、长波红外面阵探测器（6）、可见光摄像机（7）、全波段探照光源（8）以及系统电气组件（9），所述的滤光片系统（5）包括一个全透镜片（5.4）以及对应不同波段的第一滤光片（5.1）、第二滤光片（5.2）和第三滤光片（5.3）；所述的近红外光学系统（1）、长波红外光学系统（4）以及可见光摄像机（7）并排安装在最前端，所述的光栅分光系统（2）沿光轴安装在近红外光学系统（1）的后方，所述的近红外线阵探测器（3）沿光轴安装在光栅分光系统（2）的后方，所述的滤光片系统（5）安装在长波红外光学系统（4）的后方，所述的长波红外面阵探测器（6）沿长波红外光学系统（4）的光轴安装在滤光片系统（5）的后方，所述的全波段探照光源（8）平行安装在近红外光学系统（1）一侧；所述的光栅分光系统（2）将透过近红外光学系统（1）的近红外光分成离散波段的光信号并聚焦在近红外线阵探测器（3）上，所述的近红外线阵探测器（3）将接收的近红外光信号转换为模拟电信号并传输给系统电气组件（9），所述的滤光片系统（5）对透过长波红外光学系统（4）的长波红外光进行滤波并获得四个不同波段的红外光，所述的长波红外面阵探测器（6）将四个不同波段的红外信号转化为模拟电信号并传输给系统电气组件（9），所述的可见光摄像机（7）采集目标场景的可见光图像并传输给系统电气组件（9），所述的全波段探照光源（8）在夜间开启，用于代替太阳给目标场景提供入射光源，从而使得近红外光学系统（1）在夜间仍然能够接收到目标场景的近红外反射光，所述的系统电气组件（9）用于将来自于近红外线阵探测器（3）和长波红外面阵探测器（6）的模拟电信号转换为数字信号，并进行数字图像处理和图像融合分析，所述的系统电气组件（9）为系统各组件的正常工作提供所需的偏压和控制信号；所述的滤光片系统（5）经由电机驱动绕轴心O点转动，每转过90度角就更换一个镜片与长波红外光学系统（4）共光轴，第一滤光片（5.1）允许透过9.4微米的波长，第二滤光片（5.2）允许透过10.4微米的波长，第三滤光片（5.3）允许透过11.4微米的波长，所述的光栅分光系统（2）可以将入射的近红外光分成480个波段。

2.一种如权利要求1所述的红外溢油监测装置的监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

I系统数据库训练阶段

a）、白天时，在一片已知的溢油区域对系统进行训练，将长波红外光学系统（4）对准溢油区域进行成像；

b）、电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得第一滤光片（5.1）与长波红外光学系统（4）共光轴；长波红外面阵探测器（6）接收红外辐射光，并将接收到的辐射信号转换为模拟电信号传输给系统电气组件（9），系统电气组件（9）则将接收到的模拟电信号转换为数字图像I1；

c）、电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得第二滤光片（5.2）与长波红外光学系统（4）共光轴，系统将获得波长为10.4微米的数字图像I2；电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得第三滤光片（5.3）与长波红外光学系统（4）共光轴，系统将获得波长为11.4微米的数字图像I3；电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得全透镜片（5.4）与长波红外光学系统（4）共光轴，系统将获得未被滤波的长波红外数字图像I4；

d）、系统电气组件（9）将获得的数字图像I1、I2以及I3进行融合，获得伪彩色图像，对已知的溢油区域进行标记，并在数据库中记录当前溢油区域的色彩范围；

e）、将近红外光学系统（1）的光轴对准溢油区域，透过近红外光学系统（1）的光被光栅分光系统（2）分成一系列离散波段的光并由近红外线阵探测器（3）接收转换为模拟电信号传输给系统电气组件（9），系统电气组件（9）将接收到的模拟电信号转换为光谱数字信号并在数据库中记录下来；

f）、对不同的溢油品种和油膜厚度进行长波红外成像和近红外光谱记录，每一种溢油品种和油膜厚度都重复多次试验，使得数据库中记录大量的溢油图像数据和溢油光谱数据；

g）、在夜间时，打开全波段探照光源（8），使其对溢油区域进行照射，然后重复步骤a)至步骤f)；

II溢油监测阶段

h)、白天时，将长波红外光学系统（4）对准监测区域进行成像；

i) 、电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得第一滤光片（5.1）与长波红外光学系统（4）共光轴；长波红外面阵探测器（6）接收红外辐射光，并将接收到的辐射信号转换为模拟电信号传输给系统电气组件（9），电气组件（9）则将接收到的模拟电信号转换为数字图像I1’；

j)、电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得第二滤光片（5.2）与长波红外光学系统（4）共光轴，系统获得波长为10.4微米的数字图像I2’；电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得第三滤光片（5.3）与长波红外光学系统（4）共光轴，系统获得波长为11.4微米的数字图像I3’；电机驱动滤光片系统（5）绕轴心O点转动，使得全透镜片（5.4）与长波红外光学系统（4）共光轴，系统将获得未被滤波的长波红外数字图像I4’；

k)、系统电气组件（9）将获得三个长波红外波段的数字图像I1’、 I2’以及 I3’进行融合，获得伪彩色图像，将伪彩色图像的像素和数据库中记录的溢油区域的像素进行相似度计算，当相似度值大于设定的阈值T1，且为一系列相似度值中的最大值时，则认为该像素所对应的区域属于溢油区域，并认为相似像素所对应的油膜厚度为该溢油区域的大概油膜厚度；

l)、将近红外光学系统（1）的光轴对准溢油区域，透过近红外光学系统（1）的光将被光栅分光系统（2）分成一系列离散波段的光并由近红外线阵探测器（3）接收转换为模拟电信号传输给系统电气组件（9），系统电气组件（9）将接收到的模拟电信号转换为光谱数字信号并在数据库中记录下来；

m)、将获得的光谱数据和数据库中对应的光谱数据库进行对比，计算相似度，当相似度大于设定的阈值T2，且为一系列相似度值中的最大值时，则认为该数据库中相似像素所对应的溢油品种为探测区域的溢油品种；

n)、在夜间时，打开全波段探照光源（8），使其对溢油区域进行照射，然后重复步骤h)至步骤m)。